向心力影響因素探究儀

江 華，張偉林

(潼南中學校，重慶 402660)

《普通高中物理課程標準(2017版)》(簡稱“新課標”)要求：通過實驗，探究并了解勻速圓周運動向心力大小與半徑、角速度、質量的關系[1]；而人教版《普通高中課程標準實驗教科書(必修2)》中[2]，用理論推導的方式得到了向心力公式，然后“運用圓錐擺粗略驗證向心力表達式”實驗，驗證了其表達式的正確性. 在該實驗中，采用秒表、天平、刻度尺、細線懸掛的小球等實驗器材，驗證了向心力表達式. 該實驗過程中秒表計時不易操作，半徑確定有難度，造成實驗誤差較大、實驗結果準確度不高、實驗類型少. 因此筆者自制了實驗儀器探究向心力的影響因素.

1 自制實驗儀器

向心力影響因素探究儀如圖1所示.

圖1 向心力影響因素的探究儀

1)器材底部盒子由探究儀木板、亞克力板、金屬板等組成，前方為透明亞克力板，可以觀察到箱內的步進電機.

3)DISL力傳感器，可以利用其配套DISL電腦軟件較準確地測量向心力大小.

4)力傳感器上方配套無線信號發射器，其收集到力傳感器信息后發出信號，配套無線信號采集器采集信號并傳至電腦處理. 其優點為：可成功避免有線連接在轉動的過程出現繞線的問題.

5)金屬小球質量被處理為倍數關系，便于數據定性觀察. 根據實驗室現有的金屬小球，打磨制成16 g,32 g等成倍質量的小球.

6)聯軸器是連接步進電機與實驗儀器的器材，使儀器轉動穩定、不抖動.

7)凹槽由底部由不銹鋼條及兩邊亞克力板制成，摩擦較小，可以減小實驗誤差；兩側亞克力板外部都粘貼有布尺，便于學生讀取長度.

8)卡尺由金屬片制成，其工作原理類似于游標卡尺，提高測量精確度.

9)由電路廢舊器材制作了軌道半徑調節螺母，固定于力傳感器受力處，可以較為方便調節小球運動半徑，并可調節細繩水平.

該儀器可以實現穩定的勻速轉動，改變了傳統實驗器材不能實現勻速圓周運動的現狀，同時還具有對比性，可以同時探究2個小球的向心力影響因素，即可以對比質量和角速度相同、半徑不同的小球所受力，也可以對比半徑相同和角速度相同、質量不同的小球所受到的力.

2 實驗步驟

1)利用天平測量2個小球質量.

2)將小球用輕繩系住，輕繩另一端穿過“調節螺母”小孔，利用“調節螺母”使小球到達預定位置，拉直細繩并保持小球靜止，旋緊“調節螺母”. 小球圓周運動軌道半徑確定方法：測定橫桿上游標位置x，由游標卡尺測出小球直徑d，由r=x-d/2得到小球軌道半徑.

3)重復步驟2)，連接第2個小球.

4)將傳感器的無線發射模塊安裝于力傳感器上，啟動電腦DISLab軟件中的通用軟件，打開傳感器無線發射模塊，傳感器調零.

5)打開電源，啟動步進電機，使其先處于低轉速，待電機轉動穩定后，讀出并記錄向心力大小.

6)遙控控制步進電機，使其轉速加倍，待電機轉動穩定之后，讀出并記錄向心力大小.

7)重復步驟6).

8)利用控制變量法，分別保持小球質量m、軌道半徑r、角速度ω中2個量不變，改變第3個量，重復1)～7)步驟，根據記錄數據，定性與定量分析3個參量對向心力的影響.

9)由實驗結果，探究向心力影響因素.

10)整理實驗儀器.

3 數據修正處理

實驗中，軌道半徑調節工具——“調節螺母”由金屬制成，其質量在高轉速時不能忽略，由于離心關系，將導致實驗誤差. 為減小實驗誤差，應在不掛小球的情況下，測出不同角速度下“調節螺母”所需要的向心力，實驗數據見表1.

表1 空載時不同角速度對應力的傳感器示數

4 實驗數據

兩球質量均為32 g，軌道半徑和角速度不同，測量數據如表2所示.

表2中F測是實驗測量數據，F真是修正后的數據. 由表2中數據可得，在小球質量相同、角速度也相同時，向心力與軌道半徑正相關；在小球質量相同、軌道半徑也相同時(r=13 cm)，向心力與角速度平方正相關.

表2 m=32 g時不同半徑、角速度測得的向心力

表3 r=13 cm時不同質量及角速度下向心力測量數據

由表3中的數據可得，在小球軌道半徑相同、角速度也相同時，向心力與小球質量正相關；在小球軌道半徑相同、小球質量也相同時，向心力與角速度平方正相關.

5 結束語

該實驗儀器在參考傳統實驗儀器的基礎上完成，保留了傳統實驗儀器的優點，彌補傳統實驗中的不足，以能夠更加方便、準確地測量相關數據為目標，利用生活中常見的材料、學校實驗室的力傳感器、購置的步進電機等器材制作向心力影響因素探究儀. 該儀器具有良好的可視性、可操作性，既可進行演示實驗，又可進行學生小組實驗.